如何在高可靠度的工業控制環境中使用能源採集

本文章針對注重高可靠度的工業自動化應用，探討採用能源採集來源為其節點供電的設計挑戰， 並且探索如何結合能量來源（如溫度、振動等）、電池系統以及無線鏈路，確保感測節點確實置放於正確位置並具有最高可靠度。

能源採集技術可用來增強工業系統的可靠度及可用性， 並且能讓感測節點置放在所需位置，不受電力或通訊鏈路的限制，進而提供更高品質的數據。 如此一來，即可提供 Kalman 演算法等技術的趨勢資料，在發生問題前加以識別，進而在故障發生前採取預防維護措施，或讓替代設備立即上線。

這些能源採集技術能克服簡易電池備援式感測節點的設計挑戰。 廠區內具有數千個節點，因此電池的維護和更換作業不僅昂貴而且耗時。 然而，能源採集被視為會大幅波動且不可靠的能量來源，因而通常在此類應用中未將其列入考慮。 若將振動、熱或太陽能等能源採集來源與充電電池結合，即可發揮兩者的優點。 獨立型感測節點可輕鬆地置於難以觸及的地方，而且充電電池系統可持續使用數千個循環，因此能大幅延長節點的壽命。

然而，要結合這些優點需要新型電源管理元件，以便從不規則、低電流來源提供可靠電力。。 這些元件使用升降壓架構，專門用來管理來自能量來源的電力。

利用 Midé 的 Volture V25W 等元件經由振動採集能量，在工廠自動化領域中屬於重要的電力來源。 .

圖1：Midé 的 Volture V25W 壓電振動能量產生器。

這是專為嚴峻環境中使用所設計的氣密式壓電元件。 可作為感測器使用，也可直接整合電源管理晶片及薄膜電池，提供可靠的電源。 此元件的設計能運用馬達的振動，專為工業網路中的感測節點以及工業自動化環境中的無線高電壓空調感測器進行供電。 監測 HVAC 狀態的能力極為重要，可確保廠區溫度受到嚴密控制，以便達到可靠度。

感測器安裝於振動來源，並且經過調整，達到來源的共振頻率。 使用120 Hz AC 馬達或60 Hz 裝置時，主頻率通常明顯易於微調，但大部分應用則需要某種形式的振動特性，才能確保來源在共振頻率下工作。

V25W 可連接到 Maxim 的 MAX17710 等電源管理元件。 這是一個完整系統，能透過能源採集來源，為微功率蓄電池進行充電和保護。 此系統會管理輸出位準介於 1 fW 至 100 mW 的調節不良來源。 這個元件亦包括升壓型穩壓電路，能以低至 0.75 V（典型值）的來源對電池充電。

內部穩壓器可保護電池免於過度充電，且供應至目標應用的輸出電壓會經過低壓降 (LDO) 線性穩壓器（可選擇 3.3 V、2.3 V 或 1.8 V 電壓）進行穩壓。輸出穩壓器可選擇在低功率或超低功率模式下工作，使電池流出降到最低。 內部電壓保護可預防電池過度放電。

圖2：MAX17710 特別經過微調，與能源採集來源的功率一致。

即使是在廠區室內，太陽能電池也是可行的電力來源之一。 Spansion 的 MB39C831 是高效率的同步整流升壓型 DC/DC 轉換器，能將來自單芯或多芯太陽能電池、熱電產生器 (TEG) 的能量有效供應至鋰離子電池。

此元件使用最大功率點追蹤 (MPPT) 演算法及保護功能，在符合太陽能電池的最大功率點下，控制 DC/DC 轉換器的輸出，安全地對鋰離子電池充電。

一般而言，太陽能電池的電壓會隨著負載電流而變，因此掌握達到最大功率的工作點至關重要。 控制演算法會對照空載時的釋放點，藉此追蹤此最佳工作點，進而達到最大的電源轉換效率。

圖3：MB39C831 可追蹤來源的最佳功率點，以求得最大效率的能量轉換。

可使用低電壓設計，以 0.35 V 進行啟動（圖3）。 本元件適用於以單節電池的太陽能電池作為輸入、以 41 µA 靜態電流輸出 3.0 V 至 5.0 V 為感測節點供電的應用。 本元件的關鍵特點在於，會自動切換脈衝頻率模式 (PFM) 與脈衝寬度模式 (PWM) 的轉換，在低輸出功率期間將功率轉換效率達到最佳化。

這種適應方法亦有助於搭配其他電源，例如熱能。 可在廠區中使用此方法，透過溫差產生電力。 Laird 的 WPG-1 等熱機可產生高達 1.5 mW 的可用輸出電力，並可處理多種負載電阻值（圖4）。 本元件整合超低電壓升壓轉換器，能在低溫差（小於 20°K）下提供可用的輸出電力。 輸出電力可經調節以因應三個電壓設定點：3.3 V、4.1 V 或 5.0 V，用以對感測節點或甚至更大的設備供電。

本單元是自成一體的薄膜熱電發電器，能採集廢熱，將其轉換成可用的 DC 輸出電力，以供無線感測網路之用。 本公司針對不同的溫差或輸出電壓提供客製化設計服務，藉此因應不同的熱吸收與散熱機制。

圖4：Laird 的 WPG-1 熱機電流輸出取決於溫度差。

有一種方法能進一步增強能源採集來源的可靠度，便是在本機電池使用或儲存能量前，先使用電容組收集能量。 Advanced Linear Devices 的 EH300/EH301 系列 EPAD 能源採集模組可接受許多來源的能量，提供一般的 3.3 V 與 5.0 V 輸出，適合需達到低電力間歇工作週期取樣資料、條件式監測或極端壽命的應用。 這些模組全部都自行供電，且永遠處於作用模式，因此無論其能源採集來源是以穩定或是間歇且不規則的方式產生具有多種阻抗值的電能，都可接受介於 0.0 V 至 +/-500 V_AC 或 _DC 的瞬間輸入電壓，以及介於 200 nA 至 400 mA 之輸入電流。 

圖5：Advanced Linear Devices 的 EH300 模組使用電容組，由多種能源採集來源提供常開式電源管理。

各模組都設定在 +V_low DC 與 +V_high DC 兩個電源電壓閾值之間工作，分別對應感測節點的最小 (V_L) 與最大 (V_H) 供應電壓。

能量來源開始以電荷脈衝形式將能量注入模組的輸入時，這些電荷封包會由內部儲能電容組進行收集、累積與儲存。 在常見的能源採集應用中，電能電荷封包會以未經控制且不可預期的輸入電壓尖波形式提供， 而且通常涵蓋多種電壓、電流及時序波形，因此不容易處理。 舉例而言，EH300 模組在 10 µA 平均輸入電流下的週期時間不到 4 分鐘，在平均輸入電流僅 1.0 µA 下不到 40 分鐘。

結論

能源採集是將電力傳遞至感測網路，卻不受電纜限制的有效方式。 將感測器置於需求位置，並透過設備振動或其上方的燈光供電，就是取得實用數據的創新方式，能確保工廠系統可靠運作。 增加充電電池就能大幅延長保養及替換週期，並且能透過無線感測網路可靠監測設備，是彈性且有效的方式。